专利名称：多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法
技术领域：
本发明涉及一种多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法，尤其涉及一种可产生各种体制下的气象雷达模拟回波的多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法。
背景技术：
天气雷达对气象目标反射的回波中含有十分重要的气象要素信息，是监测短临灾害性天气过程的主要设备，在气象防灾减灾过程中发挥重要作用。当前世界各国天气雷达发展迅速，在雷达工程实践或科学研究过程中迫切期望出现一种能够模拟气象雷达回波的发生装置，即模拟气象雷达回波发生装置，用于在脱离雷达系统的情况下通过模拟或仿真生成符合气象目标特征的信号。这对于气象雷达测试、维护与故障诊断具有很强的实用价值，以及在一些预研项目中，通过回波模拟可以对研究方案进行初步测试与论证，从而避免过早在硬件系统上的高额经费投入。例如在星载天气雷达或机载天气雷达等系统的研制。目前市场上的气象目标雷达反射模拟信号发生装置主要有军用雷达回波模拟器和通用雷达测试仪表，也建立有气象回波谱特征模型。军用情报雷达目标模拟器依据雷达体制差异而不同，但总体上军用情报雷达目标模拟器关注对象主要是点目标或多批次目标，例如飞机、导弹等。在观测目标特性方面，军用情报雷达与天气雷达明显不同。例如李淑华等提出的“全相参雷达目标回波信号模拟方法及装置”描述了在无微波源条件下如何模拟动目标信息。尽管一些军用情报雷达目标模拟器建立仿真环境过程中会考虑引入气象目标，但气象目标仅作为其观测目标以外的杂波而存在，模型中仅考虑建立了气象回波的一些共性，如弥散性、慢动性等特征，缺少对气象回波的细致刻画与区分，例如缺少降水类型、强度、流场结构以及发展变化等内容，因而，无法解决天气雷达回波模拟的真实性问题。一些被称为通用型雷达目标模拟器则仅能够模拟雷达目标最基本的参数，如距离、高度、速度、方位、航迹等信息，这与真正实现气象目标特性模拟的差距明显，例如徐自明提出的“一种多普勒雷达回波模拟装置及其实现方法”描述了产生四波束的速度、延迟、衰减等回波信息模拟方法，该方法未涉及气象目标特征的回波模拟方法。且通用型雷达目标模拟器频段往往集中于视频或基带层面，缺少实现射频段的回波模拟的能力。另外，军用雷达目标模拟器受限于安全保密等要求，无法市场化，解决不了天气雷达回波模拟器的市场化需求。通用雷达测试仪表是对雷达系统、模块或板卡进行测试与维护的基础设备，目前，知名仪表厂商，如安捷伦、罗德施瓦茨等，已经建立相对完整的雷达信号模拟的硬件平台方案，由任意波发生器、矢量信号源，与计算波形编辑软件等模块组成。但该解决方案仅仅提供了产生回波信号的硬件平台，缺少气象目标特性的实质内容，且关键知识产权被境外公司所掌握，成本造价十分昂贵。当前，一些从事雷达气象的科研人员建立了相参脉冲体制的天气雷达气象回波谱特征模型，基于高斯谱特征模型仿真基带同相与正交数据。该类模型多数用于建立同相/正交(I/Q)模拟数据，但是鲜有上变频至中频，甚至射频段的回波模拟器。同时未见其他体制天气雷达的回波模拟模型，如脉冲压缩体制、双偏振体制等。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可产生各种体制下的气象雷达模拟回波的多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，所述工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，所述I/Q数据生成模块的信号输出端和所述控制模块的信号输出端分别与所述FPGA处理卡的信号输入端连接，所述上变频模块的信号输入端和所述雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与所述FPGA处理卡的信号输出端连接。气象参数库是本装置实现气象回波模拟的基础，气象参数库针对各类天气过程，区分提炼为晴空、层状性降水、对流性降水、混合性降水等主要过程。气象参数库能够体现不同天气过程的强度场与速度场特征，例如钩状回波、V型缺口回波、气旋与反气旋、锋、切变、急流、零度层亮带等天气雷达回波特征。气象参数库包含多种参数基本反射率因子、径向速度、谱宽、差分反射率因子、零延时相关系数、差分相位、比相差等。实现人机交互的控制模块是本装置的控制核心，该模块主要包括人机交互界面、气象参数库配置、I/Q模拟参数配置、上变频参数配置、雷达状态参数设置等。I/Q数据生成模块用于从气象参数库提取数据进行处理，生成符合气象特征的I/Q数据，是本装置的关键模块。上变频模块对I/Q数据进行处理得到频率为被测雷达中频系统工作频率的中频信号或者为雷达工作频率的射频信号。雷达状态环境模拟单元用于产生与回波相匹配的雷达状态信息，包括定时信号、天线转速、方位角度、俯仰角度、扫描类型、脉冲宽度等信息。具体地，所述 雷达状态环境模拟单元包括基于FPGA的定时器和基于DSP的天线模拟器。定时器可产生模 拟雷达的定时信号，天线模拟器可产生模拟雷达的天线转速、方位角度、俯仰角度、扫描类型、脉冲宽度等信息。本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，所述I/Q数据生成包括以下过程( I)在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱
权利要求
1.一种多参数模拟气象雷达回波发生装置，其特征在于包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，所述工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，所述I/Q数据生成模块的信号输出端和所述控制模块的信号输出端分别与所述FPGA处理卡的信号输入端连接，所述上变频模块的信号输入端和所述雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与所述FPGA处理卡的信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的多参数模拟气象雷达回波发生装置，其特征在于所述雷达状态环境模拟单元包括基于FPGA的定时器和基于DSP的天线模拟器。
3.一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于所述I/Q数据生成包括以下过程 (1)在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱
4.根据权利要求3所述的多参数模拟气象雷达回波发生方法，其特征在于所述气象参数库生成过程中，所述气象参数库接收自定义仿真、算法仿真和历史数据重现中的一种或多种回波模拟配置。
全文摘要
本发明公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡；本发明还公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于所述I/Q数据生成包括以下过程建立两路信号的功率谱；生成复数谱；进行离散时间傅立叶逆变换；引入相关系数ρhv；引入符合高斯分布的杂波；确定迭代公式和迭代终止条件，生成最终的I/Q数据。通过本发明可产生各种体制下的气象雷达模拟回波，满足市场需求。
文档编号G01S7/40GK103048651SQ201310008448
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者何建新, 史朝, 唐顺仙, 李学华, 张福贵, 王旭 申请人:成都信息工程学院